DE3238057C2 - Verfahren zum Herstellen eines festen, dünnwandigen, tiefgezogenen Formteiles - Google Patents

Abstract

Dünnwandiges Formteil, bestehend aus einem tiefgezogenen Vlies mit beidseitigen Deckschichten, das aus dreidimensional orientierten Fasern einer Länge von 20 bis 80 mm besteht und bei dem die Deckschichten aus einem auf das Vlies in flüssiger Form aufgebrachten Film aus einem polymeren Werkstoff bestehen, der die Oberflächen überragt und verfestigt ist. Die Deckschichten können durch dicht benachbarte Säulen verbunden sein, die, aus ihrem Werkstoff geformt, das Vlies durchdringen. Das Vlies wird zum Tiefziehen des zu verformenden Bereiches in aufeinanderfolgenden Teilbereichen erwärmt, umgeformt und verfestigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines festen, dünnwandigen tiefgezogenen Formteiles, bei dem ein tiefziehbares Flächengebilde an seinem Rand ringsum festgelegt wird und bei dem der umzuformende Bereich des Flächengebildes in aufeinanderfolgenden Teilbereichen erwärmt sowie durch Tiefziehen umgeformt wird.

Auf ein solches Verfahren nimmt beispielsweise die DE-OS 27 24 957 Bezug. Die bereits verformten Teilbereiche befinden sich dabei bis zum vollständigen Abschluß der Umformung aller Teilbereiche in einem verformbaren Zustand. Die während der Umformung auf das Flächengebilde ausgeübten Kräfte können daher zu einer nachfolgenden, weiteren Deformierung des Flächengebildes in diesen vorausgehend bereits umgeformten Teilbereichen führen und insbesondere zu einer noch weitergehenden, nachträglichen Verminderung der Wanddicke.

Ein weiteres Verfahren zum bleibenden Verformen eines aus elastischem Material gebildeten Teiles ist aus der DE-OS 27 53 541 bekannt Der umzuformende Bereich des eingesetzten Flächengebildes wird dabei als Gesamtheit zwischen zwei Formstempeln einheitlich erwärmt, während die umgebenden Teilbereiche als geschlossene Gesamtheit gekühlt werden. Hierdurch wird verhindert, daß sich der Verformungsbereich nach der Abkühlung wieder zurückbildet, d. h. in die Bahnebene zurückkehrt. Die Verformung in den verformten Bereichen setzt eine Streckung und gewissermaßen eine Oberdehnung des eingesetzten Materials voraus, die sich, ähnlich den Fließvorgängen bei einem metallischen Prüfstab, nicht gleichmäßig auf die gesamte Fläche auswirkt, sondern nur auf einen sehr eng begrenzten Teilbereich. Materialverdünnungen im Bereich vorspringender Ecken und Kanten sind hierbei die Folge und treten besonders störend bei der Herstellung einer Konusmembran für einen Lautsprecher in Erscheinung. Der am stärksten gedehnte und damit der am meisten geschwächte Bereich eines solchen Formkörpers ist der Bereich der Konusspitze, mithin gerade die Zone, über die bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung die Antriebskräfte der Magnetspule eingeleitet werden. Starke Biegedeformationen der Konusmembrane während ihrer normalen Benutzung sind davon die Folge und haben neben einem schlechten Wirkungsgrad auch eine Verzerrung des Tonbildes zur Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Verfahren derart weiterzuentwikkeln, daß die beim Tiefziehen eintretende Dehnbeanspruchung gleichmäßig auf die Gesamtfläche verteilt wird und hierdurch eine besonders gute Gleichmäßigkeit der Wanddicke in allen Teilbereichen zu erhalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Verwendung eines beidseitig eine filmartige Schicht aufweisenden Faservlieses für das Flächengebilde jeder der Teilbereiche vor dem Erwärmen des nächstfolgenden Teilbereiches verfestigt wird.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird somit nicht der zu verformende Bereich als Gesamtheit erwärmt und umgeformt, sondern er wird in Teilbereiche zerlegt, in denen jeweils die Erwärmung, die Umformung und die Verfestigung zu einer Einheit zusammengefaßt sind. Die Erwärmung, Umformung und Verfestigung der einzelnen Teilbereiche des umzuformenden Bereiches erfolgt kontinuierlich oder diskontinuierlich aufeinander, wodurch es gelingt, die Dehnbeanspruchung gleichmäßig auf die Gesamtfläche zu verteilen. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Formteile zeichnen sich deshalb durch eine besonders gute Gleichförmigkeit der Wanddicke in allen Teilbereichen aus, was sich beispielsweise in bezug auf das Biegesteifigkeits/Gewichtsverhältnis einer Konusmembran für einen Lautsprecher außerordentlich positiv auswirkt.
Das Flächengebilde kann zum aufeinanderfolgenden Erwärmen, Umformen und Verfestigen der einzelnen Teilbereiche an die temperierte Oberfläche eines Formlings angepreßt werden. Die Wärmeübertragung kommt in diesem Falle durch unmittelbaren Kontakt zustande, wobei es von wesentlicher Bedeutung ist, daß die Vorschubgeschwindigkeit des Formlings so bemessen ist, daß die Erwärmung, die Umformung und die Verfestigung eines jeden Teilbereiches abgeschlossen ist, wenn die Erwärmung, Umformung und Verfestigung des nächstfolgenden Teilbereiches beginnt.

Dieser legt sich besonders gut an den Formling an, wenn die Erwärmung mit einer geringen Voreilung vorgenommen wird, beispielsweise durch eine kurzfristige Heißluftbeaufschlagung des zu verformenden Bereiches

geringfügig vor dem eigentlichen Anpressen des Formlings. Eine solche Erwärmung setzt eine Ventilsteuerung für die Zuführung der Heißluft voraus, die es mit geringem Mehraufwand zugleich ermöglichen kann, eine Festlegung der vorausgehend verformten Teilbereiche des Flächengebildes durch Vakuum zu erzielen.

Die jeweilige Erwärmung, Umformung und Verfestigung der Teilbereiche des eingesetzten Flächengebildes kann kontinuierlich und/oder diskontinuierlich erfolgen. Eine kontinuierliche Aufeinanderfolge empfiehlt sich für die Erzeugung von Kegel- oder Pyramidenflächen, eine diskontinuierliche aufeinanderfolgende hingegen vor allem für die Erzeugung von sich senkrecht oder parallel zur Oberfläche des eingesetzten Flächengebildes erstreckender. Wandungsbestandteilen. Sind an einem Formteil beide Typen von Flächen vorhanden, dann empfiehlt sich eine kombinierte Arbeitsweise.

In Fällen, in denen das eingesetzte Flächengebilde aus einem Werkstoff mit thermoplastischen Eigenschaften besteht, ist im Anschluß an die Umformung der einzelnen Teilbereiche jeweils eine Abkühlung erforderlich, was beispielsweise durch Verwendung eines Formlings erreicht werden kann, dessen Oberfläche den verschiedenen Teilbereichen zugeordnete Zonen aufweist, die thermisch gegeneinander isoliert sind und die im Anschluß an die zunächst benötigte Erwärmung gekühlt werden können. Die Erzeugung eines entsprechenden Formlings ist mit keinen nennenswerten Schwierigkeiten verbunden.

Aufheizung und Abkühlung erfordern aber neben einem hohen Energieaufwand eine längere Taktzeit, was die Anwendung in einer Massenproduktion problematich machen kann.

Eine einfachere und schnellere Arbeitsweise ergibt sich demgegenüber bei der Umformung von Flächengebilden, deren Zusammenhalt auf einem Gehalt eines im Α-Zustand vorliegenden polymeren Werkstoffes beruht Solche Werkstoffe sind zunächst fest, können aber thermisch erweicht werden, bevor sich bei einer weiter anhaltenden Wärmezufuhr eine chemische Vernetzung und Verfestigung ergibt, die dann irreversibel ist. Eine Abkühlung zur Stabilisierung der verformten Teilbereiche ist somit vor Verwendung eines entsprechenden Flächengebildes nicht mehr erforderlich. Beispiele für in den B-Zustand überführbare Werkstoffe sind das Epoxid-Harz und das Polyester-Harz. Beide eignen sich ausgezeichnet sowohl für die Stabilisierung des inneren Zusammenhaltes eines Vliesstoffes als auch zur Aufbringung von Oberflächenbeschichtungen.

Sie haben den weiteren Vorteil einer guten thermischen Beständigkeit, was von großer Bedeutung ist in bezug auf die Herstellung der Konusmembran für einen Lautsprecher, welche durch eine Magnetspule wärmebeaufschlagt ist.

Die Erfindung betrifft zudem ein Flächengtbilde zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bestehend aus einem Vlies aus dreidimensional orientierten Fasern und aus beiderseitigen, das Vlies überragenden Deckschichten aus einem flüssig auf das Vlies aufgebrachten und verfestigten Polymer.

Ein derartiges bekanntes Flächengebilde (DE-OS 23 53 690) weist neben guter Schlagzähigkeit, Biege- und Zugfestigkeit einen hinreichend hohen Elastizitätsmodul auf. Über die Tiefzieheigenschaften wird nichts ausgesagt.

Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft geeignetes Flächengebilde zu zeigen. Das Flächengebilde soll kostengünstig herstellbar sein und sich bei minimalem Raumgewicht durch eine besonders hohe Biegesteifigkeit auszeichnen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Flächengebilde der vorstehend angegebenen Art dadurch gelöst, daß die Fasern des Vlieses unterschiedliche Längen im Bereich von 20 bis 80 mm aufweisen und daß der Anteil der Fasern mit wenigstens 40 mm Länge wenigstens 20% beträgt

ίο Das Vlies kann auf trockenem oder nassem Wege erhalten werden. Bei Anwendung einer trocken arbeitenden Herstellungstechnologie, beispielsweise unter Verwendung einer Krempelanlage, lassen sich längere Fasern einarbeiten, die dem Vlies eine größere Biegesteifigkeit und Festigkeit in dreidimensionaler Richtung zu verleihen vermögen.

Neben natürlichen Fasern und synthetischen Fasern können auch mineralische Fasern zur Anwendung kommen, z. B. Baumwolle und Wolle bzw. Polyesterfasern, Polyamidfasern oder Polypropylenfasern mit 0,5 bis 16 dtex und 20 bis 80 mm Länge. Gemische verschiedener Fasern sind möglich, wobei sich die einzelnen Fasertypen durch unterschiedliche Länge und/oder einen unterschiedlichen Titer voneinander unterscheiden kön-

nen.

Zur Verbesserung der Festigkeit und Dichte ist es vorteilhaft, das Vlies einem Nadelungsvorgang zu unterwerfen. Die Fasern erfahren hierdurch, bezogen auf ihre Länge, eine mehrfache Richtungsumlenkung, was sich vorteilhaft auf den Gesamtzusammenhalt und damit auch auf die Verbesserung der Biegesteifigkeit des Vlieses auswirkt.

Bei Verwendung eines Vlieses mit einem überwiegenden Gehalt an Fasern aus einem thermoplastisch erweichbarer Werkstoff läßt sich eine Verbesserung des Faserzusammenhaltes erzielen durch eine Prägung oder VerschweiCiung der Fasern in musterartig über die Oberfläche verteilten Flächenbereichen. Diese können durch Abstande voneinander getrennt sein, jedoch auch ineinander übergehen. Die anteilige Fläche derartiger Präge- bzw. Verschweißungszonen soll 5 bis 30% der Gesamtfläche nicht überschreiten.

Die Präge- bzw. Verschweißungszonen müssen so angeordnet uind einander zugeordnet sein, daß eine mögliehst gleichmäßige Verfestigung des gesamten Vlieses resultiert. Die Gestalt an sich ist demgegenüber von geringerer Bedeutung. Bei Präge- bzw. Verschweißungszonen, die einen Abstand voneinander haben, hat sich jedoch eine kreisförmig begrenzte Ausführung, eine quadratische oder eine rechteckige Ausführung als vorteilhaft bewährt. Die Erstreckung in beliebiger Richtung soll den Bereich von 0,3 bis 1 mm möglichst nicht verlassen.

Das Vlies; weist beidseitig Deckschichten aus einem in flüssiger Form aufgebrachten Film aus einem polymeren Werkstoff auf, der die Oberflächen überragt und verfestigt ist. Besonders geeignet sind chemisch vernetzte Harze.

Das Aufbringen entsprechender Versteifungsharze geschieht durch eine Imprägnierung, durch Aufpudern oder Streichen. Um eine extrem hohe Steifigkeit zu erhalten, ist es von Vorteil, beidseitig eine filmartige Beschichtung aufzubringen, die nur gering in die Oberfläche des entsprechend ausgelegten Vlieses eindringt, jedoch die Nadelungskanäle bis zur gegenüberliegenden Deckschicht durchdringt. Sind von einem vorausgegangenen Präge- oder Verschweißungsverfahren noch Vertiefungen vorhanden, so werden diese ausgefüllt.

In den Präge- bzw. Verschweißungszonen sind die Fasern des Vlieses zu einer porenfreien Schicht verdichtet, über die in diesem Falle die Kräfte von der einen Deckschicht auf die andere Deckschicht übertragen werden können, was vorteilhaft ist in bezug auf die Erzielung einer großen Biegesteifigkeit. Sowohl in diesem Falle (Fig.2) als auch im Falle der ausgefüllten Nadelungslöcher (Fig. 1) bilden die Säulen zusammen mit den Deckschichten somit eine räumliche Skelettstruktur, die sich durch eine besonders große Biegesteifigkeit auszeichnet. Die Säulen gehen über eine trompetenartige Erweiterung in die Deckschichten über. Kerbwirkungen am Ansatzpunkt, die eine Delaminierung zur Folge haben könnten, werden hierdurch unterbunden. Die Säulen wirken einer Veränderung der Dicke beim Tiefziehen entgegen.

Die säuienförmigen Gebilde können der Oberfläche des Vlieses senkrecht zugeordnet sein und eine entsprechende Ausführung ist besonders gut geeignet für die Herstellung der Konusmembran für einen Lautspreeher. Eine Zuordnung zu der Erstreckung des Vlieses unter einem spitzen Winkel ist jedoch ebenfalls möglich, und in diesem Falle können die Säulen gegebenenfalls ineinander übergehen und/oder einander überlappen. Das Verhältnis aus der Dicke des Vlieses und dem gegenseitigen Abstand der Mittellinie entsprechender Säulen soll möglichst innerhalb des Bereiches von 0,6 bis 4 mm liegen.

Das vorgeschlagene Formteil zeichnet sich, bezogen auf sein Gewicht, durch eine besonders große Biegesteifigkeit aus. Diese läßt sich leicht optimieren durch eine Veränderung des verwendeten Vlieses und/oder der Dicke und gegebenenfalls Arten der Deckschichten. In diese können gegebenenfalls auch Füllstoffe eingelagert werden, beispielsweise organische und/oder anorganisehe Fasern und/oder körnige Materialien.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Ausschnitt aus der Wandung eines Formteils,

F i g. 2 den Ausschnitt gemäß F i g. 1 bei einer Ausführung, bei der die beidseitigen, filmartigen Beschichlungen der Oberfläche untereinander durch säulenförmige Vorsprünge verbunden sind, und

F i g. 3 eine Vorrichtung zum Herstellen des Formteils nach F i g. ί in kleinerer Darstellung.

Die in F i g. 1 quergeschnitten dargestellte Wandung eines Formteils 1 besteht aus einem Vliesstoff 3 aus regellos vereinten Langfasern.

Das Vlies ist genadelt mit einer Stichdichte von 50/cm² mit Dreikantnadeln eines Durchmessers von 0,2 mm. Die Fasern sind durch ein Bindemittel verklebt, das auf Kreuzungspunkte 4 konzentriert ist und das die folgende Zusammensetzung aufweist:

Phenolharz-Novolak mit einem Anteil von min. 5% Hexamethylentetramin.

Aus einem identischen Bindemittel bestehen auch die beidseitigen Beschichtungen 2 der Oberflächen des Faservlieses. Dieses hat ein Gesamtgewicht von 300 g/m² bei einem Fasergehalt von 150 g/m² und einer Dicke von 1,5 mm. Die Steifigkeit beträgt 100 g, gemessen mit dem Steifigkeitsprüfer 661 der Firma Karl Frank GmbH, 6940 Weinheim-Birkenau, BRD.

Die in F i g. 2 wiedergegebene Ausführung ist mit derjenigen nach F i g. 1 identisch bis auf den Unterschied einer andersartigen Nadelung. Bei einer beiderseitigen Stichdichte von 5 Einstichen je cm² kamen wesentlich gröbere Nadeln mit kreisförmigem Querschnitt zur Anwendung, die einen Durchmesser von 2,4 mm aufwiesen. Die auf diese Weise erzeugten Nadelungslöcher, in deren unmittelbaren Nachbarschaft die Fasern überwiegend senkrecht zur Oberfläche orientiert sind, füllten sich bei der Oberflächenbeschichtung mit dem flüssigen Bindemittel, wodurch die die Dicke stabilisierende »Säulen« 5 erhalten wurden.

Das imprägnierte und beschichtete Vlies wurde unter Vermeidung einer Vernetzung des Bindemittels getrocknet. Daraus ausgestanzte Platinen Γ mit einem Durchmesser von 150 mm hatten ein Gewicht von 5,6 g und konnten in der Vorrichtung gemäß F i g. 3 zu einer Konusmembran für einen Lautsprecher verformt werden.

Dazu wird die Platine 1' entlang eines umlaufenden Randes mit einer Breite von 20 mm zwischen Halteflanschen 6, 7 eingespannt, wobei die Rotationsachse der Symmetrieachse des Formlings 8 symmetrisch zugeordnet ist.

Der Formling 8 enthält eine Heizung aus einem Widerstandsdraht 9, und wird durch diesen auf eine gleichmäßige Temperatur von 200° C erwärmt. Er besteht aus einem Hohlkegel aus Kupfer, der mit einem Hebel 12 auf dem Außenumfang eines Heißluftrohres 10 in Richtung der Platine senkrecht vorschiebbar ist. Der Durchmesser der zylindrischen Ausnehmung in dem Hohlkegel ist exakt an den Außendurchmesser des Heißluftrohres 10 angepaßt, wodurch die Heißluft nur in dem der verformten Zone unmittelbar benachbarten Bereich Düsen 11 zu passieren und die Platine Γ anzuströmen und zu erwärmen vermag. Die eigentliche Erwärmung erfolgt unmittelbar anschließend durch den Berührungskontakt zwischen der Platine Γ und dem Formling 8.

Durch die Erwärmung wird das die Platine Γ bindende Harz vorübergehend formbar, wodurch sich das Material in dem unmittelbar erwärmten Bereich an die Oberfläche des Formlings 8 anschmiegL Die zugleich einsetzende Vernetzung stabilisiert den so erhaltenen Zustand, wodurch eine weitere Verformung beim Verformen der nachfolgenden Teilbereiche bei einer kontinuierlichen Arbeitsweise unterbunden wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines festen, dünnwandigen tiefgezogenen Formteiles, bei dem ein tiefziehbares Flächengebilde an seinem Rand ringsum festgelegt wird und bei dem der umzuformende Bereich des Flächengebildes in aufeinanderfolgenden Teilbereichen erwärmt sowie durch Tiefziehen umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines beidseitig eine filmartige Schicht aufweisenden Faservlieses für das Flächengebilde jeder der Teilbereiche vor dem Erwärmen des nächstfolgenden Teilbereiches verfestigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfestigen bei thermoplastischem Flächengebilde durch Abkühlen erfolgt.

.3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Teilbereiche nach dem Verfestigen chemisch vernetzt wird.

4. Flächengebilde zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bestehend aus einem Vlies aus dreidimensional orientierten Fasern und aus beiderseitigen, das Vlies überragenden Deckschichten aus einem flüssig auf das Vlies aufgebrachten und verfestigten Polymer, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des Vlieses unterschiedliche Längen im Bereich von 20—80 mm aufweisen und daß der Anteil der Fasern mit wenigstens 40 mm Länge wenigstens 20% beträgt.

5. Flächengebilde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vlies musterartig verteilte Durchbrechungen, aufweist, in denen die Deckschichten ineinander übergehen.

6. Flächengebilde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechungen Nadelungslöcher sind.

7. Flächengebilde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Vliesdicke zum Abstand der Nadelungslöcher 0,6 bis 4 beträgt.

8. Flächengebilde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vlies in musterartig verteilten Flächenbereichen porenfrei verdichtet ausgebildet ist.